Wormgaten - science of fiction?

Wormgaten - science of fiction? Wie regelmatig naar Star Trek kijkt, of wie weleens de wetenschapsbijlage van een krant leest, heeft vast wel eens gehoord van wormgaten. Aan deze sneltreinverbindingen tussen verschillende plaatsen in de ruimte (of zelfs tussen verschillende heelallen!) worden allerlei fantastische eigenschappen toegekend. Maar kunnen deze wormgaten echt bestaan en kunnen we er echt mee door ruimte en tijd reizen? c Timon Idema 2001, 2006 1

Zwarte gaten Het begrip zwart gat stamt uit het begin van de jaren 70. Zwarte gaten zijn zeer zware objecten die de ruimte door gravitatiewerking zo sterk krommen, dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Het plaatje dat hierbij meestal gemaakt is, is dat van de vierdimensionale ruimtetijd afgebeeld als een tweedimensionaal rubber vlies. Objecten met massa (planeten, sterren) zijn dan knikkers die op het vlies liggen en er een deuk in maken. Een zwart gat is dan een oneindig zware knikker, die in feite een oneindig diepe put in het rubber vlies maakt. Komt een ander object binnen een bepaalde afstand van dit gat (de zogenaamde Schwartzhild-straal), dan zal hij erin worden gezogen, en niet meer kunnen ontsnappen, hoeveel energie hij ook heeft (want oneindig is altijd groter dan een eindige waarde). Wat er aan de andere kant van zo n gat in het rubbervlies zit, is niet helemaal duidelijk. Het is natuurlijk mogelijk dat een zwart gat gewoon een zeer dicht object is. In dat geval kan het niet meer uit gewone materie bestaan, maar alleen nog maar uit neutronen die tegen elkaar aanliggen, of misschien uit exotische deeltjes die in ons gewone heelal niet voorkomen. Maar dan heeft ook een zwart gat eindige afmetingen en is het dus geen singulariteit. In dat geval krijgen we te maken met Hawking-straling, die vernoemd is naar de beroemde professor Stephen Hawking die momenteel werkt aan de universiteit van Cambridge. Overal in het heelal komt spontane creatie van deeltjes voor, doordat energie (die gedragen wordt door hoog-energetische fotonen) wordt omgezet in massa. Bij deze creatie ontstaan een deeltje en zijn antideeltje (meestal een elektron en een positron), die samen lading 0 hebben, zodat er geen behoudswetten worden geschonden. Meestal vindt zo n deeltjespaar elkaar weer, waarna annihilatie volgt en de massa van beide deeltjes weer volledig in energie wordt omgezet. Hierbij is essentieel dat massa een vorm van energie is, zoals Einstein weergaf in zijn beroemde formule E = mc 2. Vindt er echter creatie plaats vlak bij de rand van een zwart gat (die afstand waarbinnen zelfs licht niet kan ontsnappen, weer de Schwartzhild-straal), dan kan het gebeuren dat een van beide deeltjes in het zwarte gat valt. Het zou dan netto negatieve energie aan het zwarte gat kunnen toevoegen, terwijl zijn antideeltje (dat alleen overblijft) als straling vrijkomt. Deze straling wordt de Hawking-straling genoemd. Door middel hiervan zal het zwarte gat kunnen verdampen, ook al zal dat voor de meeste zwarte gaten vele malen langer duren dan het heelal zal bestaan. 2

Witte gaten en wormgaten Er is ook een andere mogelijkheid. Het rubber vlies van de ruimtetijd is niet onbuigbaar, eerder in tegendeel: het kan worden dubbelgevouwen zonder dat wij, bewoners van het heelal, er iets van zouden merken. Maar dan kan het natuurlijk gebeuren dat zowel aan de bovenkant als aan de onderkant een zwart gat zit. Dit zijn lokaal twee putten in het rubbervlies, maar niets zegt dat ze niet aan de onderkant van de put aan elkaar vastzitten. Op die manier zou je dus een brug kunnen maken van het ene deel van de ruimtetijd naar het andere - we hebben een wormgat. Een object dat in een zwart gat, dat deel uitmaakt van een wormgat, valt, zal dus niet door het zwarte gat verzwolgen worden. Het zal het wormgat aan de andere kant weer verlaten en daar plotseling in de ruimte te voorschijn komen. Dat zou betekenen dat er ook objecten zijn die alleen maar materie uitstoten. Deze objecten worden witte gaten genoemd, om aan te geven dat ze het tegendeel van de zwarte gaten zijn. Voor het bestaan van zwarte gaten zijn echter al duidelijke aanwijzingen gevonden, maar een waarneming die in de richting van het bestaan van een wit gat wijst, is tot nu toe niet gedaan. Tunnels door ruimte en tijd Over hoe de tunnels waardoor materie van een zwart naar een wit gat (éénrichtingsverkeer!) reist eruit zien, is men het nog niet eens. Een mogelijkheid is die van de Einstein-Rosen-verbinding. Deze is vernoemd naar Albert Einstein en zijn medewerker Nathan Rosen, die al in de jaren 40 met dit verplaatsingsproces bezig waren. Deze verbindingen hoeven niet dezelfde ruimtetijd-karakteristieken te hebben als het ons bekende heelal, waardoor toch transport mogelijk wordt. In zo n verbinding zal een materiedeeltje sneller gaan dan het licht en dus terugreizen in de tijd. Tot nog toe klinkt het allemaal prachtig. Wormgaten zijn niet in strijd met de huidige natuurwetten en evenmin met de relativiteitstheorie. Wiskundig gezien is er geen enkele belemmering voor het bestaan ervan. In de natuur is het dan meestal het geval dat het voorspelde verschijnsel ook werkelijk bestaat - ook antideeltjes en neutrino s zijn eerst bedacht binnen de natuurwetten en daarna pas ontdekt. Volgens de al eerder genoemde Stephen Hawking wemelt het in ons heelal dan ook van de wormgaten, maar dan wel op zeer kleine schaal: ze hebben diameters in de orde van 10 35 meter en bestaan maar liefst 10 43 seconde! Maar hun korte leven en kleine afmeting vormt niet het enige probleem. 3

Een object dat in een zwart gat valt, zal dat niet overleven: door de enorme getijdenkrachten zal het uit elkaar getrokken worden totdat het een lange sliert van atomen geworden is. In een gewoon zwart gat worden deze atomen toegevoegd aan de massa van het allesverslindende lichaam in het midden. In een wormgat komen de atomen (of misschien nog wel kleinere deeltjes) elders uit een wit gat weer tevoorschijn. Voor een eventuele ruimtereiziger of sonde is zo n reis fataal, maar signalen (die in de vorm van elektromagnetische golven reizen) is er misschien wel een mogelijkheid. Andere heelallen Er is echter een nog veel extremer mogelijkheid dan het eenvoudig reizen naar een andere plaats of een ander tijdstip in ons eigen heelal. Een wormgat zou ook de verbinding kunnen zijn naar een ander heelal! Dat zou betekenen dat ons heelal niet alleen is, en dus ook eigenlijk niet alles is. In zo n ander, parallel heelal is van alles mogelijk: de natuurconstantes kunnen er andere waarden hebben, de zwaartekracht kan er anders werken en de tijd kan er sneller of langzamer gaan dan bij ons. In zijn boek Cosm beschrijft Gregory Benford (zelf een natuurkundige) hoe in 2005 bij een experiment in een Amerikaanse deeltjesversneller in een explosie een mysterieuze bol ontstaat. Deze bol kan verplaatst worden en gehoorzaamt keurig aan onze zwaartekracht. Het blijkt echter een soort doorgang naar een ander heelal te zijn, dat door de bol heen bekeken kan worden. Het nieuwe heelal, ontstaan in de explosie in de deeltjesversneller, bestaat niet binnen onze ruimtetijd, maar heeft er alleen een hoger-dimensionale verbinding mee via een soort wormgat. In het baby-heelal aan de andere kant van de bol gelden klaarblijkelijk dezelfde natuurwetten als in ons heelal: er ontstaat materie, later sterren en sterrenstelsels. Een tweede experiment, dat dit keer bedoeld is om een nieuw heelal te laten ontstaan, leidt echter tot een heelal waar de natuurconstanten anders zijn, zodat er geen materie ontstaat. 4

Een eeuwigdurende beweging De meest voor de hand liggende is dat ons heelal inderdaad niet alleen is. Misschien zitten er op dit moment in het ouder-heelal van ons heelal wetenschappers een bol te bestuderen waarin ze ons heelal zien, terwijl 1 seconde in hun laboratorium duizend jaar bij ons beslaat. Of misschien bestaat er wel een parallel heelal, waarin de tijd hetzelfde is, maar bijvoorbeeld de sterke kernkracht (de kracht die deeltjes in atoomkernen bij elkaar houdt) veel groter is dan bij ons. Als dit heelal door een wormgat aan ons heelal verbonden is, kan dit een zeer nuttige toepassing hebben, die voor het eerst is geopperd door Isaac Asimov in zijn boek The gods themselves. Door het verschil in kernkracht zijn atomen die in ons heelal stabiel zijn, in het parallelle heelal radioactief, en omgekeerd. Als we nu stabiele atomen van ons heelal door het wormgat naar het parallelle heelal transporteren, zullen ze daar vervallen tot deeltjes die bij ons radioactief zijn (en dus zwaarder dan de oorspronkelijke deeltjes!). Bij dit proces komt energie vrij. Als nu de bewoners van het andere heelal de nieuw ontstane deeltjes weer terugpompen naar ons heelal, kunnen ze hier weer vervallen en er zal weer energie vrijkomen. Met andere woorden: we hebben een perpetuum mobile! Stabiele wormgaten en tijdtunnels Terug naar de wormgaten binnen ons eigen heelal. We hebben gezien dat een natuurlijk wormgat invallende objecten geheel uit elkaar trekt en ze tot basiselementen reduceert. Maar er is een mogelijkheid om dit te omzeilen, en wel door wormgaten kunstmatig aan te passen. Als we een mini-wormgat te pakken krijgen dat een fractie van een seconde bestaat en het kunnen vasthouden, zijn we al een heel eind op weg. Als er aan beide uiteinden dan een perfect ronde, elektrisch geladen plaat wordt geplaatst, treedt er een vreemd verschijnsel op. Door quantumeffecten ontstaat er tussen de twee platen negatieve energie. Dit verschijnsel, het Casimir-effect (vernoemd naar de onlangs overleden Nederlandse natuurkundige Casimir) kan ervoor zorgen dat het wormgat groter wordt en stabiel blijft. Ook is er geen vervelend zwart gat meer dat objecten verpulvert, zodat er veilig door dit wormgat gereisd kan worden. Houden we nu het ene uiteinde van het wormgat vast, en versnellen we het andere tot dicht bij de lichtsnelheid, dan zal er (doordat de klok van het versnelde uiteinde langzamer loopt dan die van het vaststaande uiteinde) een tijdsverschil tussen beide uiteinden ontstaan; bovendien bevinden ze zich nu op verschillende plaatsen in de ruimte. Dat betekent dat het wormgat als tijdmachine gebruikt zou kunnen worden! 5

Constructieproblemen Het lijkt erop dat stabiele, kunstmatige wormgaten toch voor toekomstig transport gebruikt zouden kunnen worden. Maar er is een probleem bij de constructie: er zijn nogal sterke materialen voor nodig. De Amerikaanse fysicus Kip Thorne (hoogleraar in de theoretische natuurkunde aan het California Institute of Technology) heeft het eens uitgerekend. Het materiaal dat de uiteinden van het wormgat moet openhouden zou (uitgaande van een opening met een diameter van 6 kilometer) een druk moeten uitoefenen van 1032 kilogram per vierkante meter, een druk die tot nu toe alleen gevonden is in het inwendige van een neutronenster. Het materiaal zou ook een trekvastheid moeten hebben die meer dan 1000 keer zo groot is als die van staal. En helaas, zulk materiaal is niet bekend. Het zal dus nog wel even duren voordat we het eerste stabiele wormgat kunnen bouwen. Science én fiction Wormgaten bestaan, daar is men het in de natuurkunde wel vrijwel over eens. Hoe we ze kunnen vinden is nog niet helemaal duidelijk, en zal misschien nog wel eens een Nobelprijs opleveren. Het zou natuurlijk nog veel mooier zijn als we ze konden gebruiken om in een ander heelal te kijken, of zelfs om het energieprobleem op te lossen. Maar deze mogelijkheden, net zoals die van sluiproute door ruimte en tijd, zullen voorlopig fictie blijven. De bemanning van Deep Space Nine zal moeten uitkijken naar een andere methode van transport. 6

Literatuur Robbert Mathews: Warp factor one; New Scientist, 12 juni 1999. Stephen Hawking: Het universum, Bert Bakker, 2001 Carl Koppeschaar: Aan de grenzen van de wetenschap - het heelal als perpetuum mobile, Kijk, juni 1980 Carl Koppeschaar: Sluiproutes door het heelal, Kijk, januari 2000 Science fiction Isaac Asimov: The gods themselves, 1972 Gregory Benford: Cosm, 1997 Internet Is faster than light travel or communication possible? www.desy.de/user/projects/physics/ftl.html Timon Idema www.lorentz.leidenuniv.nl\ idema 7